操作系统中的输入输出

输入输出 I/O硬件: I/O设备分为两类:块设备和字符设备,块设备吧信息存储在固定大小的块中,每个块有自己的地址,传输以块为单位,每个块都能独立于其他块读写,硬盘,CD-ROM和USB盘都是常见的块设备。字符设备是以字符为单位发送和接收一个字符流,而不考虑任何块结构,字符设备不可寻址,也不寻道,打印机,网络几口,鼠标,以及大多数与磁盘不同的设备都可看作是字符设备。

I/O设备一般由机械部件和电子部件两部分组成,通常分开处理,实现模块化和通用设计,电子部件称作设备控制器/适配器,在个人计算机上,通常以主板上的芯片的形式出现,或者以插入PCI的印刷电路板的形式出现。控制器卡上通常有一个连接器,通向设备本身的电缆可以插入到这个连接器中, 控制器的任务是吧串行的位流转换成字节块,并进行必要的错误校正工作,字节块通常首先在控制器内部的一个缓冲区中按位进行组装,然后再对校验和进行校验并证明字节块没有错误后再将它复制到主存中。

每个控制器都有几个寄存器用来和cpu通信,通过写入这些寄存器,操作系统可以命令设备发送数据等等操作。 1.内存映射io 将所有控制寄存器映射到内存空间中,每个寄存器被分配一个唯一的内存地址,并且不会有内存被分配这一地址,这样的系统称为内存映射I/O,通常位于地址空间的顶端。使用内存映射io,设备控制器只是内存中的变量,c语言可以和其他变量一样寻址,这样,I/O设备驱动程序就可以采用c语言编写。 2.DMA 无论CPU是否具有内存映射I/O,他都需要寻址设备控制器以便和他们交换数据,但浪费eficpu时间,所以经常使用直接存储器存储。可独立于cpu访问地址总线。

没有DMA的时候,首先控制器从磁盘驱动器串行的一位一位的读一个块,直到将整块信息放入控制器的内存缓冲区中,接着,他计算校验和,以保证没有读错误发生,然后控制器产生一个中断,当操作系统开始运行时,它重复地从控制器的缓冲区中一次一个字节/一个字的读取该块的信息,并将其放入内存中。 当有DMA的时候,首先CPU通过设置DMA控制器的寄存器对它进行编程,所以DMA控制器知道将什么数据传送到什么地方,(第1步)DMA控制器还要向磁盘控制器发送一个命令,通知他从磁盘读数据到其内部的缓冲区中,并且对校验和进行检验,如果磁盘控制器中的缓冲区中的数据是有效的的。那么DMA开始 DMA控制器通过在总线上发出一个读请求到磁盘控制器而发起DMA传送(第2步),这一读请求和其他一样,并且磁盘控制器并不关心是来自DMA还是CPU,一般情况下,要写的内存地址在总线的地址线上,所以磁盘控制器从内部缓冲区中读取下一个字的时候,她知道要写的什么地方,写到内存是另一个标准总线周期,(第3步) 当写操作完成时,磁盘控制器在总线上发起一个应答信号到DMA(第4步),于是DMA控制器部增要使用的内存地址,并且步减字节计数,如果字节计数仍然大于0,则从父2-4步。完成后产生中断告诉cpu,操作系统开始工作时,数据已经在内存中了。 中断: 将机器留在一个明确状态的中断称为精确中断,四个特征,1.PC保存在一个已知的地方。2.PC所指向的指令之前的所有指令都已经完全执行。3.PC所指向的指令之后的所有指令都没有执行。4.PC所指向的指令的执行状态是已知的。注意,对于PC所指向的指令以后的指令,并没有禁止他们开始执行,而只是要求在中断发生之前必须撤销他们对寄存器或内存所做的任何修改。 I/O软件: 设计I/O软件时一个关键的点就是设备独立性,意思是我们可以访问任意I/O设备而无需事先指定设备。也就是对于不同的I/O硬件。同一段程序是可以的。

具有标准接口的驱动程序的工作方式如下:对于每一种设备类型,例如磁盘和打印机。操作系统定义一组驱动程序必须支持的函数,对于磁盘而言,这些函数自然的包含读和写,除此之外还包含开启和关闭电源,格式化以及其他与磁盘有关的事情。驱动程序通常包含一张表格,这张表格具有针对这些函数指向驱动程序自身的指针。当驱动程序装载时,操作系统记录下这张函数指针表的地址。所以当操作系统需要调用一个函数时,可以通过表格发出间接调用。这张函数指针表定义了驱动程序与操作系统其他部分之间的接口。

双缓冲:当第二个缓冲区正在复制用户空间的时候,第一个缓冲区用来接收新的字符。以这样的方法。两个缓冲区轮流使用。称为双缓冲。

磁盘臂调度算法: 读/写一个磁盘块需要时间:1.寻道时间(将磁盘臂移动到适当的柱面上所需的时间)2.旋转延迟(等待适当扇区旋转到磁头下所需的时间)。3.实际数据传输时间。

一个磁盘子系统具有如下特性:当一个写命令发给它时,磁盘要么正确地写数据,要么什么也不做,让现有的数据完整无缺的留下,这样的系统称为稳定存储器,并且是在软件中实现的。目标是不惜一切代价保持磁盘的一致性。

时钟:两种。1种是直接接到电源线上。就可以每个电压周期产生一个终端。现在比较少。另一种是由晶体振荡器,计数器和存储寄存器三个构成。当把一块石英晶体适当的切割并且安装到一定的压力之下时就可以产生非常精确的周期性信号。时钟启动时,存储寄存器的值被复制到计数器中,每一个脉冲使计数器-1,直到为0,产生中断。

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